光學實驗基礎知識

1、整理課件光學實驗基礎知識光學實驗基礎知識 楊楊 鵬鵬物理與電子工程學院物理與電子工程學院 整理課件主要內容主要內容一、光學實驗的內容一、光學實驗的內容二、光學實驗特點二、光學實驗特點三、光學實驗遵循的原則三、光學實驗遵循的原則四、光學實驗的觀測方法四、光學實驗的觀測方法五、光學實驗基本光路五、光學實驗基本光路六、光學實驗常用儀器六、光學實驗常用儀器七、實驗數據處理七、實驗數據處理整理課件課程背景課程背景n光學：光學：物理學經典學科，發(fā)展迅速。物理學經典學科，發(fā)展迅速。n經典光學理論和實驗方法：經典光學理論和實驗方法：促進科技進步。促進科技進步。n新的研究成果和實驗技術：新的研究成果和實驗技術：

2、促進光學學科及其他促進光學學科及其他科技領域發(fā)展，如天文、化學、生物、醫(yī)學等?？萍碱I域發(fā)展，如天文、化學、生物、醫(yī)學等。n光學實驗技術：光學實驗技術：觀察基本光學現象，學習和掌握觀察基本光學現象，學習和掌握光學實驗的基本知識和基本方法，培養(yǎng)基本的光光學實驗的基本知識和基本方法，培養(yǎng)基本的光學實驗技能。學實驗技能。n光學實驗：光學實驗：儀器精密，調節(jié)復雜，只有在了解儀儀器精密，調節(jié)復雜，只有在了解儀器結構性能基礎上建立清晰的物理圖像，才能選器結構性能基礎上建立清晰的物理圖像，才能選擇有效而準確的調節(jié)方法，判斷儀器是否處于正擇有效而準確的調節(jié)方法，判斷儀器是否處于正常的工作狀態(tài)。常的工作狀態(tài)。n理

3、論聯系實際：理論聯系實際：在光學實驗過程中，儀器的調節(jié)在光學實驗過程中，儀器的調節(jié)和檢驗，實驗現象的觀察、分析等都離不開理論和檢驗，實驗現象的觀察、分析等都離不開理論的指導。的指導。整理課件 光學實驗課， 學習的重點是學習和掌握光學實驗的基本知識、基本方法以及培養(yǎng)基本實驗技能，研究一些基本的光學現象，加強對經典光學理論的理解，提高對實驗方法和技術的認識。（一）基本物理量的測量方法（一）基本物理量的測量方法n基本物理量：基本物理量：透鏡的焦距、基點、曲率半徑，介質折射率、溶液濃度、光波波長、光柵常量等。一、光學實驗的主要內容一、光學實驗的主要內容整理課件n測量方法：測量方法：焦距測量：焦距測量：

4、物距像距法、二次成像法、自準直法、輔助透鏡法折射率測量：折射率測量：最小偏向角法、掠入射法光波波長測量：光波波長測量：雙棱鏡干涉法、邁克爾遜干涉法、透射光柵法溶液濃度測量：溶液濃度測量：旋光法偏振光分析、單色儀定標偏振光分析、單色儀定標加深理論加深理論掌握方法掌握方法觀察現象觀察現象分析現象分析現象整理課件（二）常用光學儀器的使用（二）常用光學儀器的使用 常用儀器:光具座、測微目鏡、望遠鏡、分光計、干涉儀、攝譜儀等。 了解儀器的構造原理及正常使用狀態(tài)，調節(jié)到正常使用狀態(tài)的方法，操作要求，注意事項，并具有較好的操作技能。整理課件（三）學習分析光學實驗中的基本光路（三）學習分析光學實驗中的基本光路

5、 自準直光路、分光光路、助視放大光路、恒偏向光路。（四）繼續(xù)學習分析誤差的方法和提高對實驗數據（四）繼續(xù)學習分析誤差的方法和提高對實驗數據的處理能力的處理能力 提高對實驗數據的處理能力和實驗結果誤差原因的分析水平，正確表達和評價實驗結果，分析誤差產生的原因以及減小實驗誤差。 整理課件二、光學實驗的特點二、光學實驗的特點n與理論密切結合與理論密切結合 頻率極高的電磁波，頻率極高的電磁波，1014數量級，光學現象不直觀，只數量級，光學現象不直觀，只能觀察一定時間內的平均效果?？坷碚摰闹尾拍馨盐兆∧苡^察一定時間內的平均效果?？坷碚摰闹尾拍馨盐兆嶒灛F象。實驗現象。n儀器調節(jié)要求高儀器調節(jié)要求高

6、儀器精密，必須嚴格調節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干涉儀器精密，必須嚴格調節(jié)，才能保證精度。邁克爾遜干涉儀精度可達儀精度可達10-4mm。n實驗能力要求高實驗能力要求高 實驗技能、理論基礎、判斷能力。實驗技能、理論基礎、判斷能力。 另外取得較好的實驗效果，有光學實驗須在低照度環(huán)境下另外取得較好的實驗效果，有光學實驗須在低照度環(huán)境下進行，進行， 因此，要小心謹慎，因此，要小心謹慎， 安全操作，防止事故，安全操作，防止事故， 要避免要避免光學元件跌落損壞，儀器讀數失誤，并注意保護視力。光學元件跌落損壞，儀器讀數失誤，并注意保護視力。整理課件三、光學實驗遵循的原則三、光學實驗遵循的原則n1、必須在熟悉儀

7、器的性能與使用方法之后才能進行使用與操作；n2、輕拿輕放，勿使儀器或光學元器件受到沖擊、碰撞和震動，特別注意不能從手中滑落；n3 、不使用時要及時將光學元件放回包裝盒內，長期閑置不用應該將其放入干燥皿中保存；整理課件n4、 手拿光學元器件時切忌用手觸摸“工作面”，如果必須拿光學元器件時只能拿它的非工作的“磨砂面”，例如透鏡的外圓磨砂面，棱鏡的上下底面，柱面鏡的上下磨砂面，否則因人手的“汗跡”會腐蝕光學面造成永久的損壞；n5、 如發(fā)現光學元器件的工作面有灰塵，要用專用的干燥脫脂棉輕輕擦拭或用橡皮球吹去，絕對不能用嘴去吹；整理課件n6 、若發(fā)現光學表面上已被輕微污染或有較輕的印記，可以用清潔的鏡頭

8、紙輕輕拂去，擦試時不能加太大的壓力以免光學表面被劃傷，更不能用普通紙、手帕、毛巾或衣物等進行擦拭；n7、 進行光學實驗時盡量避免說話，防止口水、唾液或其它液體濺落到光學面，造成光學面的化學損傷；n8 、在對光學儀器或光學系統(tǒng)進行調整時，要耐心細致，邊調整，邊觀察，動作要輕、柔、慢，切忌粗魯與盲目操作；整理課件n9、 千萬要注意在做實驗的過程中觀察與分析實驗過程與現象，尤其是出現與預期現象反常的特殊現象，應及時將現象記錄或存儲下來，向指導教師請教或分析；n10、 使用完儀器設備后應當及時整理，放回原處或加罩防護，防止灰塵污染。整理課件四、光學實驗的觀測方法四、光學實驗的觀測方法n主觀觀察法主觀觀

9、察法和客觀測量法客觀測量法 1、眼睛直接觀察的方法，稱為主觀觀察方法 2、用光電探測器來進行客觀測量，常用光電管、光敏電阻和光電池等n視差: 人們觀察遠近不同的物體A和物體B 時，常會發(fā)生視覺差異的現象。利用視差進行如下判斷: (1)被觀察的物與像，或像與像是否重合 (2) 如果未重合，那么哪個離觀測者近一些， 這 對于指導儀器的調節(jié)，確定像的位置很有幫助。整理課件五、基本光路五、基本光路（一）自準直光路（一）自準直光路 1.f OO O分劃板透鏡平面鏡在物體自身的平面上產生物體的實像，所以稱為自準直光路。整理課件2.f OO分劃板透鏡平面鏡Oyy整理課件3.f OO分劃板透鏡平面鏡Oyy 2

10、 2 物平面與反射鏡平面相對位置影響實像的位置，例如：分光計的調節(jié)就是利用自準直光路實現光軸與主軸的垂直。應用：自準直目鏡。阿貝目鏡高斯目鏡整理課件（二）三棱鏡分光光路（二）三棱鏡分光光路復色光棱鏡 單色光 同一棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率。（針對鈉光波長589.3nm而言）偏向角：出射光與入射光的夾角。最小偏向角：光路對稱時，出射光與入射光的夾角。i1i1i2i2整理課件（三）光柵分光光路（三）光柵分光光路分光原理：光柵方程 dsin=k各級譜線分布于零級像兩側。零級像：k=0, =0的位置，所有波長的光重疊在一起。整理課件六、基本光學儀器的使用六、基本光學儀器的使用（一）光具座（一）

11、光具座n雙桿式和平直導軌式n長度為1-2m，刻有毫米標尺。n滑塊支架。整理課件 將各種光學元件（透鏡、面鏡等等）組合成特定的光學系統(tǒng)，運用這些光學系統(tǒng)成像時，要想獲得優(yōu)良的像，必須保持光束的同心結構，即要求該光學系統(tǒng)符合或接近理想光學系統(tǒng)的條件，這樣，物方空間的任一物點，經過該系統(tǒng)成像時，在像方空間必有唯一的共軛像點存在，而且符合各種理論計算公式。為此，在光具座上調節(jié)光學系統(tǒng)，必須滿足以下幾點。 1.光具座水平 調節(jié)光具座底角的水平調節(jié)螺釘(借助水平尺)，使光具座水平。 2.共軸 調節(jié)光學系統(tǒng)中各光學元件的光軸,使之共軸。并讓物體發(fā)出的成像光束滿足近軸光線的要求。整理課件3.等高 因為成像公式

12、中的各段距離,都是指光學系統(tǒng)光軸上的距離,所以要從光具座軌道上的讀數求出符合實際的距離,必須做到光學系統(tǒng)的光軸和光具座道軌的基線平行簡稱等高。 調節(jié)光學系統(tǒng)各元件的共軸等高，是光學實驗中的一項基本要求，必須很好掌握，一般的調節(jié)可分粗調和細調兩步進行。整理課件（1） 粗調粗調 先把物、透鏡、像屏等元件放置于光具座上，如圖依次檢查并調整物、透鏡及屏的中心（圖中物體P 經透鏡L 成像于P），使各元件的中心大致在與導軌平行的同一條直線上，并使物平面、像屏平面和透鏡面相互平行且垂直于光具座導軌。整理課件（2） 細調細調二次成像法二次成像法 成小像時，調節(jié)光屏位置，使P與屏中心重合； 成大像時，則調節(jié)透鏡

13、的高低或左右，使P位于光屏中心。依次反復調節(jié)，便可調好。整理課件（二）分光計（二）分光計n精密測角儀：測量棱鏡角，偏向角n分光儀器：借助分光元件可觀察光譜，測量波長。整理課件整理課件1，狹縫裝置2，狹縫裝置鎖緊螺絲3，準直管4，制動架5，載物臺6，載物臺調平螺絲7，載物臺鎖緊螺絲8，望遠鏡9，望遠鏡鎖緊螺絲整理課件10，阿貝式自準直目鏡11，目鏡視度調節(jié)手輪12，望遠鏡光軸高低調節(jié)螺絲 13，望遠鏡光軸水平調節(jié)螺絲14，支臂15，望遠鏡微調螺絲16，望遠鏡止動螺絲17，轉軸與度盤止動螺絲18，制動架整理課件19，底座 20，轉座21，度盤 22，游標盤23，支柱 24，游標盤微調 螺絲25，游

14、標盤止動螺絲26，準直管光軸水平調節(jié)螺絲27，準直管光軸高低調節(jié)螺絲28，狹縫寬度調節(jié)手輪整理課件整理課件2.分光計的調節(jié)分光計的調節(jié)測量前應調節(jié)分光計，達到：n望遠鏡聚焦到無窮遠，望遠鏡的光軸對準儀器的中心轉軸并與中心轉軸垂直。n待測光學元件的表面與中心轉軸平行。 n平行光管出射平行光，且光軸與望遠鏡的光軸共軸。整理課件1) 1) 目視粗調目視粗調 調節(jié)望遠鏡俯仰調節(jié)螺釘 平行光管俯仰調節(jié)螺釘望遠鏡支架平行光管水平調節(jié)螺釘望遠鏡水平調節(jié)螺釘 松開望遠鏡鎖緊螺釘 松開游標盤鎖緊螺釘鎖緊載物臺升降鎖緊螺釘調節(jié)載物盤水平調節(jié)螺釘 移動底座整理課件2) 用自準直法將望遠鏡調焦到無窮遠 叉絲像分劃板視

15、場透光窗反射像旋轉目鏡調節(jié)鼓輪 伸縮目鏡筒 整理課件載物盤水平、望遠鏡俯仰調節(jié)的特例 平面鏡兩側面的反射像分別位于和時，只需調節(jié)望遠鏡的俯仰調節(jié)螺釘dd平面鏡兩側面的反射像同時位于或時，只需調節(jié)載物盤的水平調節(jié)螺釘dd整理課件觀察不到反射像的原因n目鏡中觀察到的叉絲和透光窗中黑色十字的像模糊。（轉動目鏡調節(jié)鼓輪）n望遠鏡沒有聚焦于無窮遠。（松開目鏡筒鎖緊螺釘，前后移動目鏡筒 ）n平面反射鏡的鏡面與望遠鏡的光軸不垂直。 俯視側視轉動載物臺或望遠鏡調節(jié)望遠鏡俯仰或載物盤水平調節(jié)螺釘整理課件用光路圖表示為n（1），若望遠鏡向下偏，由圖：若偏斜嚴重將得不到像整理課件n若偏斜不嚴重，由圖像點P將會在物S

16、的下方，現象為十字叉絲將向下偏整理課件（2）若望遠鏡上偏：現象為：叉絲上偏整理課件棱鏡下偏：現象為：叉絲下偏整理課件若棱鏡上偏：現象為：叉絲上偏整理課件3) 調節(jié)望遠鏡光軸與中心轉軸垂直 放置平面鏡 撥動游標盤 調節(jié)載物盤水平調節(jié)螺釘或望遠鏡俯仰調節(jié)螺釘 整理課件載物盤水平、望遠鏡俯仰的各半調節(jié)d調節(jié)望遠鏡俯仰調節(jié)螺釘 調節(jié)載物盤水平調節(jié)螺釘d/2整理課件4) 調節(jié)平行光管n平行光管由狹縫和準直透鏡組成。整理課件狹縫 鎖緊螺釘俯仰調節(jié)螺釘松開狹縫鎖緊螺釘前后移動狹縫 轉動狹縫調節(jié)平行光管俯仰調節(jié)螺釘 轉動狹縫鎖住狹縫鎖緊螺釘 整理課件3.分光計的測量原理分光計的測量原理 (2-1+2-1)/2

17、 平行光管2 2 望遠鏡平行光管1 1 望遠鏡整理課件讀數方法主刻度盤游標盤游標窗口233 13 整理課件偏心差整理課件n測三棱鏡頂角平行光管出射的平行光射向三棱鏡的兩個光學表面，用望遠鏡分別接收兩表面的反射光，就可計算出兩束光的夾角。由幾何關系可以證明與三棱鏡頂角A的關系為： = 2A 整理課件A（2-1+2-1）/4 平行光管望遠鏡整理課件(三) 測微目鏡（1）要確定目鏡的準確度及鼓輪轉動讀數增大的方向，并選取合適的初始點； （2）一次測量中鼓輪只能單向移動，不能中途倒轉；（3）干涉條紋應與豎直雙線 平行無視差；（4）到達刻度線零點后，應立即返回，以免損壞測微目鏡。整理課件（四）測移顯微鏡

18、n（1）測量時， 要先調好目鏡和物鏡。n（2）測量時應使一根十字叉絲與顯微鏡的目鏡移動方向垂直。n（3）為減小回程誤差， 應單方向測量。n（4）測量結束后， 應用保護套罩好儀器。整理課件n（五） 單色儀n（六）攝譜儀整理課件（七）光源（七）光源1.熱輻射光源熱輻射光源u基于熱輻射原理，白熾燈，燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。基于熱輻射原理，白熾燈，燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光。u連續(xù)光譜，功率較低，碘鎢燈，溴鎢燈。連續(xù)光譜，功率較低，碘鎢燈，溴鎢燈。2.氣體放電光源氣體放電光源u電流電流氣體介質氣體介質放電發(fā)光。放電發(fā)光。u低壓汞燈：小于低壓汞燈：小于1個大氣壓工作，在可見光區(qū)產生個大氣壓工作，在可見光區(qū)產生4條明亮條明亮的特征曲線。工作電壓的特征曲線。工作電壓20V，工作電流，工作電流1300mA.u低壓鈉燈：金屬蒸汽弧光放電。低壓鈉燈：金屬蒸汽弧光放電。在可見光區(qū)發(fā)成兩條極強黃色譜線：在可見光區(qū)發(fā)成兩條極強黃色譜線：589.0nm,589.6nm.工作電壓工作電壓20V，工作電流，工作電流1.3A。整理課件3.激光光源激光光源u受激輻射發(fā)光，極強的方向性，發(fā)散角小。受激輻射發(fā)光，極強的方向性，發(fā)散角小。u極好的單